FR2552600A1 - Power amplifier with slaved supply - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un amplificateut de puissance à alimentation asservie. The present invention relates to a servo-powered power amplifier.
Elle s'applique en particulier en robotique pour la commande de moteurs à courant continu. It applies in particular in robotics for the control of direct current motors.
En robotique, on utilise très souvent des moteurs à courant continu, dont la puissance requise dépasse parfois le kilowatt, et les amplificateurs associés doivent pouvoir fournir une tension positive ou négative quel que soit le sens du courant, à alimentation stabilisée de puissance. In robotics, direct current motors are very often used, the power required of which sometimes exceeds one kilowatt, and the associated amplifiers must be able to supply a positive or negative voltage whatever the direction of the current, with a stabilized power supply.
Le prix et le volume de ces amplificateurs sont importants, le refroidissement des transistors de puissance pose de nombreux problèmes et le rendement en pussance est médiocre. I1 est notamment très difficile de maintenir les transistors à une température acceptable lorsque la puissance dissipée dépasse 100 watts. The price and volume of these amplifiers are large, the cooling of the power transistors poses many problems and the pussance efficiency is poor. It is in particular very difficult to maintain the transistors at an acceptable temperature when the dissipated power exceeds 100 watts.
Pour pallier cette dernière difficulté, on utilise des amplificateurs à découpage, mais ils sont en général fort compliqués, les moteurs à courant con- tinu fonctionnent mal avec une alimentation discontinue et les parasites engendrés sont importants. To overcome this latter difficulty, switching amplifiers are used, but they are generally very complicated, DC motors operate poorly with a discontinuous power supply and the interference generated is significant.
L'invention a pour but de circuit de remédier à ces inconvénients et notamment de proposer un amplificateur de puissance simple et fiable dont la dissipation thermique des transistors de puissance est minimisée. The object of the invention is to remedy these drawbacks and in particular to provide a simple and reliable power amplifier in which the heat dissipation of the power transistors is minimized.
L'invention a pour objet un circuit d'amplification de puissance, notamment pour commande de mo- teurs à courant continu, caractérisé en ce qu'il comprend un premier amplificateur de puissance fonctionnant à partir du réseau et un deuxième amplificateur de puissance alimenté par la tension de sortie du premier amplificateur ce deuxième amplificateur fournis sant la tension de sortie du circuit, des moyens comparateurs donnant une tension d'erreur proportionnelle à l'écart entre la tension d'alimentation du deuxième amplificateur et la tension de sortie, ces moyens comparateurs étant reliés au premier amplificateur afin d'asservir la tension d'alimentation du deuxième amplificateur de façon que ladite tension soit supérieure de quelques volts à la tension de sortie du circuit. The subject of the invention is a power amplification circuit, in particular for controlling direct current motors, characterized in that it comprises a first power amplifier operating from the network and a second power amplifier supplied by the output voltage of the first amplifier this second amplifier supplied as the output voltage of the circuit, comparator means giving an error voltage proportional to the difference between the supply voltage of the second amplifier and the output voltage, these means comparators being connected to the first amplifier in order to control the supply voltage of the second amplifier so that said voltage is higher by a few volts than the output voltage of the circuit.
De préférence, ledit premier amplificateur de puissance est un amplificateur à triacs fonctionnant à partir d'un réseau triphasé. Preferably, said first power amplifier is a triac amplifier operating from a three-phase network.
Selon une autre caractéristique, l1amplifi- cateur à triacs comprend un transformateur triphasé avec secondaires à point milieu afin de fournir un secondaire hexaphasé, les triacs eux-mêmes sont commandés par des opto-triacs réalisant un isolement électrique entre la commande et le secondaire du transformateur. According to another characteristic, the triac amplifier comprises a three-phase transformer with midpoint secondaries in order to provide a six-phase secondary, the triacs themselves are controlled by opto-triacs providing electrical isolation between the control and the secondary of the transformer. .
Selon une autre caractéristique, le deuxième amplificateur de puissance comprend des coupleurs optiques pour commander les transistors de puissance. According to another characteristic, the second power amplifier comprises optical couplers for controlling the power transistors.
Selon une autre caractéristique, les transistors de puissance sont des transistors MOS. According to another characteristic, the power transistors are MOS transistors.
Selon une autre caractéristique, le circuit d'amplification est muni d'un dispositif de limitation de courant. According to another characteristic, the amplification circuit is provided with a current limiting device.
Selon une autre caractéristique, le circuit d'amplification comprend un filtre de la tension d'alimentation de type lac. According to another characteristic, the amplification circuit comprises a filter of the supply voltage of the lac type.
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront lieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 représente le schéma global du circuit d'amplification de puissance
- la figure 2 représente, schématiquement, l'alimentation à triacs
- la figure 3 représente schématiquement le circuit de commande des triacs comprenant des optotriacs
- la figure 4a représente des circuits de commande des opto-triacs
- la figure 4b représente des signaux obtenus à certains endroits du circuit selon la figure 4a
- la figure 5 représente un premier type d'amplificateur utilisé de préférence comprenant des coupleurs optiques
- la figure 6 représente schématiquement un deuxième type d'amplificateur utilisé de préférence
- la figure 7 représente schématiquement le système d'asservissement de l'alimentation à la tension de sortie VM ;
- la figure 8 représente un diagramme montrant la tension d'alimentation à la sortie de l'amplificateur à triacs en fonction du temps.The characteristics and advantages of the invention will emerge from the description which follows, given by way of illustration and in no way limiting, with reference to the appended drawings, in which:
- Figure 1 shows the overall diagram of the power amplification circuit
- Figure 2 shows, schematically, the triac power supply
- Figure 3 shows schematically the control circuit of the triacs comprising optotriacs
- Figure 4a shows control circuits of opto-triacs
- Figure 4b shows signals obtained at certain locations of the circuit according to Figure 4a
- Figure 5 shows a first type of amplifier preferably used comprising optical couplers
- Figure 6 shows schematically a second type of amplifier preferably used
FIG. 7 diagrammatically represents the system for controlling the power supply to the output voltage VM;
FIG. 8 is a diagram showing the supply voltage at the output of the triac amplifier as a function of time.
Sur la figure 1, on a représenté le schéma global du circuit d'alimentation de puissance selon 1' invention. In Figure 1, there is shown the overall diagram of the power supply circuit 1 according to the invention.
Il comprend deux amplificateurs de puissance 1 et 2. L'un à triacs 1 à faible bande passante fonctionne à partir d'un réseau triphasé (alimentation + et - référencées par rapport à la masse 0 et engendre deux tensions symétriques par rapport à la masse, V+ et V). L'autre amplificateur 2 linéaire dit "push- pull", utilisant des transistors de puissance T1 et T2 et alimenté par les tensions de sortie du premier amplificateur, V+ et V, fournit la tension de sortie VM alimentant le moteur à courant continu M.Deux comparateurs C1 et C2 donnent une tension d'erreur proportionnelle à l'écart entre la tension d'alimentation V+ et V et la tension de sortie VM. La tension d'erreur agit sur l'angle d'ouverture des triacs, contrôlant ainsi la valeur des deux tensions V+ et V. Pour des raisons de simplification, l'asservissement contrôle à la fois V+ et V. Cependant l'amplificateur "push- pull" 2 comprenant les deux transistors T1 et T2 fonctionne normalement. Sa tension de sortie est évidemment comprise entre V et V+. Si la valeur de la tension attendue est supérieure à V+ ou inférieure à V-,
V+ va automatiquement augmenter et V- diminuer jusqu'à ce que Vm ait la valeur attendue.It includes two power amplifiers 1 and 2. The one with triacs 1 with low bandwidth operates from a three-phase network (supply + and - referenced with respect to ground 0 and generates two symmetrical voltages with respect to ground , V + and V). The other so-called "push-pull" linear amplifier 2, using power transistors T1 and T2 and supplied by the output voltages of the first amplifier, V + and V, supplies the output voltage VM supplying the DC motor M. Two comparators C1 and C2 give an error voltage proportional to the difference between the supply voltage V + and V and the output voltage VM. The error voltage acts on the opening angle of the triacs, thus controlling the value of the two voltages V + and V. For reasons of simplification, the servo controls both V + and V. However the amplifier "pushes" - pull "2 comprising the two transistors T1 and T2 operates normally. Its output voltage is obviously between V and V +. If the expected voltage value is greater than V + or less than V-,
V + will automatically increase and V- decrease until Vm has the expected value.
L'alimentation "continue" à triacs est esquissée sur la figure 2. The "continuous" supply to triacs is sketched in figure 2.
Pour avoir une réponse rapide, un transformateur triphasé 3 avec secondaires à point milieu 4 est utilisé, ce qui fournit un secondaire hexaphasé. For fast response, a 3-phase transformer 3 with 4 midpoint secondaries is used, which provides a 6-phase secondary.
I1 existe donc à chaque instant, sur l'une des six phases une tension positive et une tension négative importantes, permettant d'augmenter rapidement les tensions de sortie V+ et V~. Les triacs de puissance
TR1 à TR6 sont eux-mêmes commandés par des optotriacs, par exemple du type MOC-3020, réalisant un isolement électrique entre la commande et le secondaire du transformateur. Les références 13 et 14 désignent respectivement des selfs et des condensateurs de filtrage.I1 therefore exists at each instant, on one of the six phases, a positive voltage and a significant negative voltage, making it possible to rapidly increase the output voltages V + and V ~. Power triacs
TR1 to TR6 are themselves controlled by optotriacs, for example of the MOC-3020 type, providing electrical isolation between the control and the transformer secondary. The references 13 and 14 respectively denote chokes and filter capacitors.
Sur la figure 3, sont représentés les optotriacs MOC-1 et MOC-4 commandant les triacs TR1 et TR4 qui sont reliés aux secondaires du transformateur triphasé 3. In FIG. 3, the optotriacs MOC-1 and MOC-4 are shown controlling the triacs TR1 and TR4 which are connected to the secondaries of the three-phase transformer 3.
Les circuits de commande des opto-triacs sont montrés sur la figure 4a. Il y a trois circuits identiques : un pour chaque phase. Pour chaque phase du réseau, la tension alternative A est transformée en un signal rectangulaire B par deux diodes et un amplificateur à seuil à grand gain Al. The opto-triac control circuits are shown in figure 4a. There are three identical circuits: one for each phase. For each phase of the network, the alternating voltage A is transformed into a rectangular signal B by two diodes and a high gain threshold amplifier Al.
Le signal rectangulaire B est transformé à son tour en un signal en dents de scie C, par un intégrateur de Miller, réalisé par l'amplificateur A2. The rectangular signal B is in turn transformed into a sawtooth signal C, by a Miller integrator, produced by the amplifier A2.
Un troisième amplificateur A3 sert à comparer la tension de contrôle à la tension de la dent de scie C. L'allumage des triacs a lieu lorsque la tension de contrôle atteint la tension de la dent de scie. A third amplifier A3 is used to compare the control voltage to the voltage of the sawtooth C. The triacs are ignited when the control voltage reaches the voltage of the sawtooth.
Le retard à l'allumage d'un triac est inversement porportionnel à la tension de contrôle. La tension de sortie est donc une fonction croissante de la tension de contrôle. The ignition delay of a triac is inversely proportional to the control voltage. The output voltage is therefore an increasing function of the control voltage.
La forme des signaux aux endroits A, B et C dans le circuit de commande est montrée sur la figure 4b. The shape of the signals at locations A, B and C in the control circuit is shown in Figure 4b.
Deux types d'amplificateurs de puissance sont essayés pour être utilisés comme deuxièmes amplificateurs dans le circuit d'amplification selon l'invention. Two types of power amplifiers are tried to be used as second amplifiers in the amplification circuit according to the invention.
Le premier utilise des coupleurs optiques 5, 6 pour commander les transistors de puissance TR1 et
TR2. Son schéma est représenté sur la figure 5. Il a l'inconvénient de nécessiter une alimentation flottante de 12 volts, 12m A, sur chacun des transistors de puissance T1 et T2, et le retard dû aux coupleurs optiques 5, 6 donne naissance à quelques oscillations parasites pendant les transitoires. Son avantage principal réside dans le fait qu'il peut fonctionner avec une tension d'alimentation V+, V supérieure de seulement deux ou trois volts à la tension de sortie VM (dissipation minimale). Les transistors de puissance sont des transistors MOS. MTM 15 N 40 de MOTOROLA (400 volts, 15 A continu, 70 A en pointe, 250 watts).Ils ont été choisis de préférence aux transistors bipolaires pour deux raisons - parce que la commande de la porte ne nécessite
qu'une puissance très faible, ce qui simplifie beau
coup la conception de l'amplificateur, - en raison de l'absence de seconde tension de claqua
ge, ce qui permet de tirer une puissance bien plus
importante que dans le cas de transistor bipolaire,
où la tenue en tension décroit avec le débit instan
tané du transistor.The first uses optical couplers 5, 6 to control the power transistors TR1 and
TR2. Its diagram is shown in Figure 5. It has the drawback of requiring a floating power supply of 12 volts, 12m A, on each of the power transistors T1 and T2, and the delay due to the optical couplers 5, 6 gives rise to a few. parasitic oscillations during transients. Its main advantage lies in the fact that it can operate with a supply voltage V +, V which is only two or three volts higher than the output voltage VM (minimum dissipation). Power transistors are MOS transistors. MOTOROLA MTM 15 N 40 (400 volts, 15 A continuous, 70 A peak, 250 watts) They were chosen in preference to bipolar transistors for two reasons - because the door control does not require
that a very low power, which simplifies beautiful
blow the design of the amplifier, - due to the lack of a second slamming voltage
ge, which allows to draw much more power
important than in the case of a bipolar transistor,
where the voltage resistance decreases with the instantaneous flow
tane of the transistor.
Le second amplificateur, montré sur la figure 6, est plus classique, et également plus stable (absence totale d'oscillations parasites) mais il a l'inconvénient d'exiger une tension d'alimentation
V+, V supérieure d'environ 10 volts à la tension de sortie Ymt ce qui augmente la puissance dissipée dans les transistors de sortie T1 et T2. Pour les memes raisons que dans le cas du premier schéma d'amplificateur, les transistors de sortie T1, T2 sont des transistors MOS.The second amplifier, shown in figure 6, is more conventional, and also more stable (total absence of parasitic oscillations) but it has the drawback of requiring a supply voltage
V +, V greater by approximately 10 volts than the output voltage Ymt, which increases the power dissipated in the output transistors T1 and T2. For the same reasons as in the case of the first amplifier diagram, the output transistors T1, T2 are MOS transistors.
La figure 7 représente le système d'asservissement de l'alimentation à la tension de sortie VM. FIG. 7 represents the system for controlling the power supply to the output voltage VM.
Pour des raisons de sécurité, l'alimentation V+ et V doit être asservie à la tension réelle, et non au produit de la tension d'entrée par le gain (tension attendue). En effet, les amplificateurs décrits ci-dessus sont munis d'un dispositif de limitation de courant. Si cette limitation a lieu, la tension de sortie n'est plus égale à la tension multipliée par le gain mais inférieure à cette valeur. Dans le cas de limitation du courant, la tension de sortie "s'écroule". Il est indispensable pour que la dissipation calorifique reste tolérable que l'alimentation soit asservie à cette tension Wécrouléefl. For safety reasons, the V + and V power supply must be slaved to the actual voltage, and not to the product of the input voltage by the gain (expected voltage). Indeed, the amplifiers described above are provided with a current limiting device. If this limitation occurs, the output voltage is no longer equal to the voltage multiplied by the gain but less than this value. In the case of current limitation, the output voltage "collapses". It is essential for the heat dissipation to remain tolerable that the power supply is slaved to this voltage W collapsedfl.
La tension de sortie VM est comparée dans les comparateurs 9 et 10 à la fois à la tension
V+ - el et à la tension V + e2, respectivement, les tensions el et e2 étant obtenues par deux diodes Zener 7, 8.The output voltage VM is compared in comparators 9 and 10 to both the voltage
V + - el and at the voltage V + e2, respectively, the voltages el and e2 being obtained by two Zener diodes 7, 8.
On obtient les deux tensions
Vl = Vm - (V+ - el)
V2 = - (Vm-(V~ + e2t et un simple système de deux diodes 11, 12 donne la plus grande de ces deux valeurs V1, v2 comme tension de contrôle de l'alimentation.We get the two voltages
Vl = Vm - (V + - el)
V2 = - (Vm- (V ~ + e2t and a simple system of two diodes 11, 12 gives the larger of these two values V1, v2 as control voltage of the power supply.
Dans le texte qui suit, on va décrire le fonctionnement du circuit d'amplification de puissance à alimentations asservies. In the text which follows, we will describe the operation of the power amplification circuit with slave power supplies.
Nous supposons que les triacs TR1 à TR6 sont branchés directement sur l'amplificateur 2, en supprimant les selfs et les condensateurs de filtrage de la figure 2, plusieurs cas sont à envisager comme présenté sur la figure 8, soit a le retard de l'allumage du triac. We suppose that the triacs TR1 to TR6 are connected directly to the amplifier 2, by removing the chokes and the filtering capacitors of figure 2, several cases are to be considered as presented in figure 8, that is to say the delay of the ignition of the triac.
- si O < a < 'L . La tension d'alimentation correspond à l'enveloppe des sinusoides. Elle est à peu près continue et pourrait convenir telle quelle. - if O <a <'L. The supply voltage corresponds to the envelope of the sinusoids. It is more or less continuous and could be suitable as is.
- si -#- < α < 2#, la tension ne s'annule jamais mais est très loin d'être une tension continue. - if - # - <α <2 #, the tension never vanishes but is very far from being a continuous tension.
- si 2n < CL < #, la tension s'annule périodiquement. La prédiode est de 3,33 ms,
I1 est donc nécessaire d'opérer un filtrage pour avoir une tension quasi-continue.- if 2n <CL <#, the voltage is periodically canceled. The prediode is 3.33 ms,
I1 is therefore necessary to operate a filtering to have a quasi-continuous voltage.
Si on désire mettre un condensateur 14 de façon que la tension varie de moins de 2 volts en 3,33 ms. If it is desired to put a capacitor 14 so that the voltage varies by less than 2 volts in 3.33 ms.
I = C dV
dt
I=6A
dV = 2V
dt = 3,3 10-3s ce qui donne C = 10'2 F. (10, 000 AF).
I = C dV
dt
I = 6A
dV = 2V
dt = 3.3 10-3s which gives C = 10'2 F. (10,000 AF).
Nous supposons maintenant que la tension de sortie doit passer de 0 à 50 volts
I1 faut charger le condensateur 14.We now assume that the output voltage should change from 0 to 50 volts
The capacitor 14 must be charged.
Si le courant d'alimentation est limité à 50 A
I = c aE I = 50 A
c = 10 2 F
dV = 50 V ce qui donne dt = 10 2 = 10 ms.If the supply current is limited to 50 A
I = c aE I = 50 A
c = 10 2 F
dV = 50 V which gives dt = 10 2 = 10 ms.
Le temps de montée du circuit d'amplification serait donc supérieur à 10 ms, ce qui peut être insuffisant dans certains cas. The rise time of the amplification circuit would therefore be greater than 10 ms, which may be insufficient in certain cases.
C'est pour cette raison que le filtre utilisé est un filtre LC. L'utilisation d'une self 13 entre les ponts et le condensateur à trois effets :
- elle évite au triac un débit instantané excessif puisque le condensateur 14 seul représenterait pratiquement un court-circuit au moment de la charge,
- simultanément, elle permet d'augmenter la durée de débit, le pont continuant à débiter pendant les périodes où les diodes auraient normalement été bloquées, la self 13 continuant à tirer.le courant,
- en supprimant les variations brutales du courant, la self 13 permet d'utiliser des condensateurs 14 de plus faible valeur, ce qui améliorer nettement le temps de montée.It is for this reason that the filter used is an LC filter. The use of a choke 13 between the bridges and the capacitor has three effects:
- it prevents the triac from excessive instantaneous flow since the capacitor 14 alone would practically represent a short-circuit at the time of charging,
- simultaneously, it makes it possible to increase the flow duration, the bridge continuing to flow during the periods when the diodes would normally have been blocked, the inductor 13 continuing to draw current,
- By eliminating sudden variations in the current, the inductor 13 makes it possible to use capacitors 14 of lower value, which significantly improve the rise time.
En ce qui concerne les limitations du temps de descente de l'alimentation, il faut distinguer deux causes
.) le temps de bloquage d'un triac, puisque le triac n'est éteint que par le passage à zéro de la tension qu'il commute, ce temps doit être normalement de 10 ms : 4 = 2,5 ms,
.) le temps de décharge du condensateur 14 qui dépend évidemment du courant absorbé par le moteur
M et donc ne peut être chiffré a priori. I1 sera toujours plus important que le précédent.Regarding the limitations of the feed-down time, it is necessary to distinguish two causes
.) the blocking time of a triac, since the triac is only turned off by the zero crossing of the voltage it switches, this time must normally be 10 ms: 4 = 2.5 ms,
.) the discharge time of the capacitor 14 which obviously depends on the current absorbed by the motor
M and therefore cannot be encrypted a priori. It will always be more important than the previous one.
Ce temps de descente n'affecte pas le temps de descente du circuit d'amplification qui peut évidemment sortir une tension nulle même si la tension d'alimentation est maximum. Mais il faudra par contre que le transistor T1, T2 soit capable d'accepter ce surcroît de puissance à dissiper pendant un temps limité. This fall time does not affect the fall time of the amplification circuit which can obviously output zero voltage even if the supply voltage is maximum. But on the other hand, the transistor T1, T2 must be able to accept this additional power to be dissipated for a limited time.
C'est là que le transistor MOS se révèle intéressant. Si la tension d'alimentation V+, V est limitée à 80 volts, le transistor utilisé peut débiter indéfiniment 3 A. This is where the MOS transistor comes in interesting. If the supply voltage V +, V is limited to 80 volts, the transistor used can indefinitely output 3 A.
I1 peut débiter 15 A pendant 10 ms, ce qui correspond à la décharge totale d'un condensateur de 2 000 MF chargé à 80 volts. Il reste encore une marge de sécurité puisque la tension d'un condensateur ne reste pas constante pendant la décharge. It can deliver 15 A for 10 ms, which corresponds to the total discharge of a 2000 MF capacitor charged at 80 volts. There is still a safety margin since the voltage of a capacitor does not remain constant during discharge.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8315325A FR2552600A1 (en) | 1983-09-27 | 1983-09-27 | Power amplifier with slaved supply |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| FR8315325A FR2552600A1 (en) | 1983-09-27 | 1983-09-27 | Power amplifier with slaved supply |
Publications (1)
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| FR2552600A1 true FR2552600A1 (en) | 1985-03-29 |
Family
ID=9292568
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR8315325A Withdrawn FR2552600A1 (en) | 1983-09-27 | 1983-09-27 | Power amplifier with slaved supply |
Country Status (1)
| Country | Link |
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